本发明属于有色金属复合材料领域，具体涉及一种无机晶须增强镁基复合材料及其制备方法。
背景技术：
有色金属材料是人们生产和生活中重要的物质组成部分，从航空航天、交通运输、机械制造业到人们所使用的日常用具，大部分都由有色金属材料组成。近几年来，我国有色金属材料的生产也跃居世界前列，对于我国经济的发展起重要作用，不仅带动了各种新型技术的研发，同时还促进了国民经济的增长。但是随着科学技术的飞速发展，对有色金属材料有了更高的要求，如耐高温、耐磨、强度更高等，有色金属材料在某些方面就表现出一定的局限性。
镁合金是目前实际应用中最轻的金属结构材料，具有密度小，比强度和比刚度高，阻尼性、切削加工性和铸造性能好等优点；但是，镁合金模量低、耐磨性差等缺陷，为满足结构件对高弹性模量镁基复合材料的需求，寻找理想的增强相和探索适合的复合工艺是镁基复合材料的发展趋势。
镁基复合材料主要由镁合金基体及增强相组成，随着新型制造工艺的研究发展，镁基复合材料在航天航空、汽车、核工业、运动娱乐以及其他先进的工程方面得到了更广泛的应用。上海交通大学专利申请CN1986868A采用挤压铸造工艺制备碳纤维混杂增强高模量镁基复合材料；江苏大学CN103627936A专利申请公开了一种刹车盘用碳纤维增强镁基复合材料，采用镁-铝-锌-锰系镁基合金作为基体，以微纳米级别碳纤维作为镁基合金基体的增强相，通过熔体合成-压铸成型的方法制备而成。由于镁合金在室温及高温下表现出低的硬度，低的强度，耐蚀性差等性能阻碍了其在工业中的应用，目前通过添加增强体来制备增强镁基复合材料可以很好的改善镁合金基体的综合力学性能。
技术实现要素：
为了克服现有技术中镁合金的低硬度、低强度、低模量、低耐磨损抗力等缺陷，本发明的目的在于提供一种无机晶须增强镁基复合材料。
本发明的另一目的在于提供一种无机晶须增强镁基复合材料的制备方法。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
一种无机晶须增强镁基复合材料，由包含如下组分和质量百分含量组成：无机晶须5.0-35.0wt％，镁合金65.0-95.0wt％。。
所述的无机晶须为纤维状或四针状，平均粒径为1-10um，平均长度为50-200um。
所述的无机晶须选自碳化硅、碳化硼、氧化锌、氧化铝、二氧化钛、硼酸镁、石墨晶须中的一种或两种以上组合。
所述的镁合金选自镁铝锌合金、镁铝硅合金、镁铝锰合金、镁锂合金及镁铝稀土合金中的一种。
一种无机晶须增强镁基复合材料的制备方法，包含如下步骤：(1)按照上述各化学成分的质量百分比准备无机晶须和镁合金原料；(2)将无机晶须放入保温炉内烘干预处理，温度为380-400℃，保温1.5-2h；(3)将镁合金放入熔炼炉内熔炼4-6h，温度为660-800℃，得镁合金熔液；(4)打开熔炼炉放液口，将无机晶须投入到镁合金熔体中，降温至400-450℃成半固态混合熔体后，同时施加机械搅拌和电磁搅拌0.5-2h；(5)将搅拌后的混合熔体又升温至660-800℃成全液态后，在混合熔液上方施加压力10-50MPa，将混合熔体压入到模具内降温冷却，得无机晶须增强镁基复合材料。
所述的机械搅拌，搅拌叶片位于溶体底部，搅拌速度为500-800r/min。
所述的电磁搅拌为无接触式电磁搅拌，正弦波频率为20Hz，电流峰值为15A。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明的无机晶须增强镁基复合材料强度和硬度高、耐热及耐蚀好，耐磨性好,具有良好的抗热冲击、抗氧化性能等特点；同时，无机晶须和镁合金相容性较好；本发明采用半固态机械-电磁双重搅拌铸造工艺简单、操作方便、成本低廉等优点，制备的无机晶须增强镁基复合材料尺寸细小、分布均匀、空隙率较小，综合力学性能优异。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
一种无机晶须增强镁基复合材料，由包含如下组分和质量百分含量组成：无机晶须5.0wt％，镁合金95.0wt％；所述的无机晶须为纤维状或四针状，平均粒径为1um，平均长度为50um；所述的无机晶须为石墨晶须；所述的镁合金为镁铝锌合金。
一种无机晶须增强镁基复合材料的制备方法，其特征在于，包含如下步骤：(1)按照上述各化学成分的质量百分比准备无机晶须和镁合金原料；(2)将无机晶须放入保温炉内烘干预处理，温度为380℃，保温1.5h；(3)将镁合金放入熔炼炉内熔炼4h，温度为660℃，得镁合金熔液；(4)打开熔炼炉放液口，将无机晶须投入到镁合金熔体中，降温至400℃成半固态混合熔体后，同时施加机械搅拌和电磁搅拌0.5h；(5)将搅拌后的混合熔体又升温至660℃成全液态后，在混合熔液上方施加压力10MPa，将其压入到模具内降温冷却，得无机晶须增强镁基复合材料。
所述的机械搅拌搅拌叶片位于溶体底部，搅拌速度为500r/min；所述的电磁搅拌为无接触式电磁搅拌，正弦波频率为20Hz，电流峰值为15A。
实施例2
一种无机晶须增强镁基复合材料，由包含如下组分和质量百分含量组成：无机晶须35.0wt％，镁合金65.0wt％；所述的无机晶须为纤维状或四针状，平均粒径为10um，平均长度为200um；所述的无机晶须为碳化硅；所述的镁合金为镁铝硅合金。
一种无机晶须增强镁基复合材料的制备方法，其特征在于，包含如下步骤：(1)按照上述各化学成分的质量百分比准备无机晶须和镁合金原料；(2)将无机晶须放入保温炉内烘干预处理，温度为400℃，保温2h；(3)将镁合金放入熔炼炉内熔炼6h，温度为800℃，得镁合金熔液；(4)打开熔炼炉放液口，将无机晶须投入到镁合金熔体中，降温至450℃成半固态混合熔体后，同时施加机械搅拌和电磁搅拌2h；(5)将搅拌后的混合熔体又升温至800℃成全液态后，在混合熔液上方施加压力50MPa，将其压入到模具内降温冷却，得无机晶须增强镁基复合材料。
所述的机械搅拌搅拌叶片位于溶体底部，搅拌速度为800r/min；所述的电磁搅拌为无接触式电磁搅拌，正弦波频率为20Hz，电流峰值为15A。
实施例3
一种无机晶须增强镁基复合材料，由包含如下组分和质量百分含量组成：无机晶须25.0wt％，镁合金75.0wt％；所述的无机晶须为纤维状或四针状，平均粒径为5um，平均长度为100um；所述的无机晶须为碳化硼；所述的镁合金为镁铝锰合金。
一种无机晶须增强镁基复合材料的制备方法，其特征在于，包含如下步骤：(1)按照上述各化学成分的质量百分比准备无机晶须和镁合金原料；(2)将无机晶须放入保温炉内烘干预处理，温度为390℃，保温1h；(3)将镁合金放入熔炼炉内熔炼5h，温度为700℃，得镁合金熔液；(4)打开熔炼炉放液口，将无机晶须投入到镁合金熔体中，降温至420℃成半固态混合熔体后，同时施加机械搅拌和电磁搅拌1h；(5)将搅拌后的混合熔体又升温至700℃成全液态后，在混合熔液上方施加压力30MPa，将其压入到模具内降温冷却，得无机晶须增强镁基复合材料。
所述的机械搅拌搅拌叶片位于溶体底部，搅拌速度为600r/min；所述的电磁搅拌为无接触式电磁搅拌，正弦波频率为20Hz，电流峰值为15A。
实施例4
一种无机晶须增强镁基复合材料，由包含如下组分和质量百分含量组成：无机晶须15.0wt％，镁合金85.0wt％；所述的无机晶须为纤维状或四针状，平均粒径为2um，平均长度为70um；所述的无机晶须为氧化锌；所述的镁合金为镁锂合金。
一种无机晶须增强镁基复合材料的制备方法，其特征在于，包含如下步骤：(1)按照上述各化学成分的质量百分比准备无机晶须和镁合金原料；(2)将无机晶须放入保温炉内烘干预处理，温度为385℃，保温1.8h；(3)将镁合金放入熔炼炉内熔炼4.5h，温度为660℃，得镁合金熔液；(4)打开熔炼炉放液口，将无机晶须投入到镁合金熔体中，降温至430℃成半固态混合熔体后，同时施加机械搅拌和电磁搅拌2h；(5)将搅拌后的混合熔体又升温至660℃成全液态后，在混合熔液上方施加压力15MPa，将其压入到模具内降温冷却，得无机晶须增强镁基复合材料。
所述的机械搅拌搅拌叶片位于溶体底部，搅拌速度为650r/min；所述的电磁搅拌为无接触式电磁搅拌，正弦波频率为20Hz，电流峰值为15A。
实施例5
一种无机晶须增强镁基复合材料，由包含如下组分和质量百分含量组成：无机晶须30.0wt％，镁合金70.0wt％；所述的无机晶须为纤维状或四针状，平均粒径为6um，平均长度为150um；所述的无机晶须为氧化铝；所述的镁合金为镁铝锌合金。
一种无机晶须增强镁基复合材料的制备方法，其特征在于，包含如下步骤：(1)按照上述各化学成分的质量百分比准备无机晶须和镁合金原料；(2)将无机晶须放入保温炉内烘干预处理，温度为400℃，保温2h；(3)将镁合金放入熔炼炉内熔炼4h，温度为720℃，得镁合金熔液；(4)打开熔炼炉放液口，将无机晶须投入到镁合金熔体中，降温至450℃成半固态混合熔体后，同时施加机械搅拌和电磁搅拌1h；(5)将搅拌后的混合熔体又升温至720℃成全液态后，在混合熔液上方施加压力40MPa，将其压入到模具内降温冷却，得无机晶须增强镁基复合材料。
所述的机械搅拌搅拌叶片位于溶体底部，搅拌速度为800r/min；所述的电磁搅拌为无接触式电磁搅拌，正弦波频率为20Hz，电流峰值为15A。
实施例6
一种无机晶须增强镁基复合材料，由包含如下组分和质量百分含量组成：无机晶须15.0wt％，镁合金85.0wt％；所述的无机晶须为纤维状或四针状，平均粒径为8um，平均长度为160um；所述的无机晶须为碳化硅、硼酸镁和二氧化钛的混合物；所述的镁合金为镁铝锰合金。
一种无机晶须增强镁基复合材料的制备方法，其特征在于，包含如下步骤：(1)按照上述各化学成分的质量百分比准备无机晶须和镁合金原料；(2)将无机晶须放入保温炉内烘干预处理，温度为400℃，保温1.5h；(3)将镁合金放入熔炼炉内熔炼5h，温度为680℃，得镁合金熔液；(4)打开熔炼炉放液口，将无机晶须投入到镁合金熔体中，降温至400℃成半固态混合熔体后，同时施加机械搅拌和电磁搅拌0.5h；(5)将搅拌后的混合熔体又升温至680℃成全液态后，在混合熔液上方施加压力30MPa，将其压入到模具内降温冷却，得无机晶须增强镁基复合材料。
所述的机械搅拌搅拌叶片位于溶体底部，搅拌速度为500r/min；所述的电磁搅拌为无接触式电磁搅拌，正弦波频率为20Hz，电流峰值为15A。
实施例7
一种无机晶须增强镁基复合材料，由包含如下组分和质量百分含量组成：无机晶须20.0wt％，镁合金80.0wt％；所述的无机晶须为纤维状或四针状，平均粒径为6um，平均长度为90um；所述的无机晶须为硼酸镁和石墨晶须的混合物；所述的镁合金为镁铝稀土合金。
一种无机晶须增强镁基复合材料的制备方法，其特征在于，包含如下步骤：(1)按照上述各化学成分的质量百分比准备无机晶须和镁合金原料；(2)将无机晶须放入保温炉内烘干预处理，温度为400℃，保温1.5h；(3)将镁合金放入熔炼炉内熔炼5.5h，温度为780℃，得镁合金熔液；(4)打开熔炼炉放液口，将无机晶须投入到镁合金熔体中，降温至450℃成半固态混合熔体后，同时施加机械搅拌和电磁搅拌1.5h；(5)将搅拌后的混合熔体又升温至780℃成全液态后，在混合熔液上方施加压力50MPa，将其压入到模具内降温冷却，得无机晶须增强镁基复合材料。
所述的机械搅拌搅拌叶片位于溶体底部，搅拌速度为800r/min；所述的电磁搅拌为无接触式电磁搅拌，正弦波频率为20Hz，电流峰值为15A。
对实施例1-7制备得到的无机晶须增强镁基复合材料进行性能测试，测试结果见表1。
表1
从表1的数据，本发明采用半固态机械-电磁双重搅拌铸造工艺制备无机晶须增强镁基复合材料的摩擦力为71.6-76.3N，摩擦系数为0.45-0.48，说明本复合材料具有良好的耐摩擦性能；硬度为170-183HBS，拉伸强度、弹性模量、延伸率等力学数据也表明材料具有优异的综合力学强度和硬度特性；此外，该材料外观尺寸细小、分布均匀、空隙率较小，耐热及耐蚀好，具有良好的抗热冲击、抗氧化性能等特点；同时，该工艺简单、操作方便、成本低廉，表现出良好的发展潜力和广阔的应用前景。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。